Icon up Overzicht

Zuigermotoren 5: de tweetaktmotor

Onderwerp: Kracht en beweging

In deel 2 van deze serie kwam een belangrijke, veel toegepaste verbrandingsmotor aan bod: de viertaktmotor. Deze motor is de voornaamste motor die gebruikt wordt voor de aandrijving van bijvoorbeeld auto's. Er is echter een ander type verbrandingsmotor, dat wat simpeler in elkaar zit en ook wat kleiner is. De zogenaamde 'tweetaktmotor' wordt veel toegepast voor de aandrijving van kleinere voertuigen, zoals brommers en scooters.

Zoals de namen al zeggen, is er een essentieel verschil tussen de twee- en viertaktmotor. Een volledige cyclus van een viertaktmotor bestaat uit twee volledige omwentelingen van de krukas, oftewel uit vier slagen (één slag is een op- of neergaande beweging van de zuiger). De volledige cyclus van een tweetaktmotor beslaat uit slechts één omwenteling, oftewel uit twee slagen.

Gecombineerde slagen

Nou is het niet direct zo dat er twee slagen van de viertaktmotor 'missen' in de cyclus van de tweetaktmotor. De slagen (inlaatslag, compressieslag, aandrijfslag en uitlaatslag) zijn tenslotte stuk voor stuk nodig om de motor te laten draaien. Het verschil komt er uit voort dat bij een tweetaktmotor de slagen gecombineerd worden. Het inlaten van het brandstofmengsel en het uitstoten van de uitlaatgassen vinden tegelijk plaats, en wel tijdens het einde van de inlaatslag, waarbij het verbrande gasmengsel weggedrukt wordt door de nieuwe brandstof. In onderstaande animatie wordt weergegeven hoe dit werkt. Hier is ook de positie in het druk-volume-diagram aangegeven.

Figuur 1: Resultaten van een computersimulatie van een draaiende tweetaktmotor. De positie van het gasmengsel in het druk-volume-diagram is ook aangegeven. Op de x-as staat het volume van de cilinder, op de y-as de druk van de brandstof in de cilinder. De eenheden zijn arbitrair.

Otto-cyclus

Zoals je in de animatie ziet, lijkt de thermodynamische cyclus van de tweetaktmotor sterk op die van de viertaktmotor. Dat is in ieder geval zolang beide dezelfde brandstof, in dit geval benzine gebruiken. Zie deel 6 voor een variatie hierop, de dieselmotor. Het grootste verschil is natuurlijk het feit dat de in- en uitlaatslag niet meer apart te herkennen zijn. De veralgemeniseerde versie van deze cyclus heet de Otto-cyclus, vernoemd naar de Duitse ingenieur Nikolaus Otto (1832 - 1891). De cyclus bestaat uit vier verschillende stappen:

Figuur 2: druk-volume-diagram van de ideale Otto-cyclus. Deze cyclus kan in de praktijk niet bereikt worden, een 'echte' Otto-cyclus zal er meer uit zien als het blauwe gebied .

  • 1. Adiabatische compressie (de compressieslag dus).
  • 2. Isochore druktoename. Dit gebeurt op het moment van ontsteking door de bougie, wanneer het brandstofmengsel explodeert maar nog geen kant op kan omdat de zuiger net op zijn dode punt zit.
  • 3. Adiabatische expansie. Dit is de aandrijfslag: het uitzettende gas drukt de zuiger omlaag, waarbij de krukas in beweging wordt gezet.
  • 4. Isochore drukafname. Dit is de uitlaatslag, waarbij het verbrande brandstofmengsel (hoge druk) de zuiger verlaat en vervangen wordt door nieuwe brandstof met een lagere druk.

In werkelijkheid kan deze 'ideale' cyclus natuurlijk nooit bereikt worden. Dat zou betekenen dat de druktoename (oftewel het verbranden van het mengsel) precies stopt op het moment dat de zuiger begint te bewegen, dat de brandstof de zuiger pas verlaat als deze aan de andere kant van de cyclus op zijn dode punt stilstaat en dat de compressie pas weer begint op het moment dat de brandstof volledig vervangen is. In werkelijkheid zit er altijd een zekere overlap tussen deze stappen, zodat de 'echte' Otto-cyclus veel 'afgeronder' is (zie figuur 2).

Onderdelen

Er zijn dus veel overeenkomsten tussen de tweetaktmotor en de viertaktmotor, maar de opbouw is wel verschillend. In onderstaand filmpje wordt weergegeven hoe een tweetaktmotor in elkaar zit. Let bijvoorbeeld op hoe er, in tegenstelling tot bij een viertaktmotor, geen kleppen nodig zijn om de brandstof in de cilinder te laten stromen: de zuiger zelf sluit de in- en uitlaatopening af op de momenten dat dat nodig is. Verder wordt het carter (de ruimte onder de zuiger, waar de krukas zit) bij de tweetaktmotor gebruikt om brandstof tijdelijk in op te slaan, voordat deze via de spoelpijp naar de cilinder geperst wordt. In het carter van een viertaktmotor komt geen brandstof.

De werking van de tweetaktmotor op YouTube.

Voor-/nadelen t.o.v.viertaktmotor

Voordelen van de tweetaktmotor ten opzichte van de viertaktmotor zijn vooral dat de motor stukken kleiner en dus lichter gemaakt kan worden en toch nog hetzelfde vermogen kan leveren. Daarom worden tweetaktmotoren vaak in redelijk kleine voertuigen gebruikt. Er zijn echter ook meer dan genoeg nadelen. Een nadeel van de tweetaktmotor ten opzichte van de viertaktmotor is dat het carter de helft van de tijd gevuld is met brandstof. Het carter kan dus niet gebruikt worden om smeermiddel in te spuiten, zoals dat bij een viertaktmotor wel kan (om slijtage van de kruk- en aandrijfas tegen te gaan). Daarnaast is een tweetaktmotor veel minder zuinig en dus slechter voor het milieu dan een viertaktmotor. Dat komt vooral omdat het nooit mogelijk is om ervoor te zorgen dat alle brandstof verbrandt: er ontsnapt vaak nieuwe brandstof door de uitlaatpoort, aangezien de nieuwe brandstof, die de zuiger in stroomt, ook gelijk de oude wegdrukt. Het valt dan natuurlijk niet te voorkomen dat deze twee mengen.